2016年11月16日水曜日

サボニウス型風車の風力発電装置(ミニチュア版)

先日、放送された「所さんの目がテン!」で
東京理科大学 川村康文教授がサボニウス型風車を紹介されていました。
とても興味深かったので私も作ってみました。
・・・と言っても、実用的な大きなものを作るのは無理なので、
ペットボトルを再利用したミニチュア版です。


サボニウス型風車は円柱状のものを縦半分に切って
左右にずらし、中心に軸を取り付けたような格好になっています。
テレビの説明では、
「一度受けた風の力を もう一度内側から利用できるので 風速が弱くても回りやすい。」
とのことでした。

この下の写真の風車は 3段になっています。
 計6枚の羽を60度ずつずらしてあり、
どの方向から風が吹いても回りやすいように、川村教授が改良されたものだそうです。


私が作ったものは残念ながら1段です。


キリン メッツ(1.5L)のペットボトルを縦半分に切って
中心をずらしてCDに取り付けています。

磁石はダイソーで販売されている直径13mmの磁石を
木の周りに8個×2段 貼り付けました。
N極とS極が交互に外側を向いています。


中心に ダイソーで販売されている魚串を刺しています。

魚串の尖った方を下側にして、

上の方も、少し尖らせています。

土台です

下の板には顕微鏡のスライドガラスにM2用ナットを貼り、
その真上に位置するところに6mmφのネオジム磁石にM2用ワッシャーを貼って
なるべく中心軸がぶれないようにしています。
ガラス上で回ることで摩擦抵抗も軽減できます。

③に①を差し込んで、土台に取り付けるとこんな感じです。

発電用のコイルです。4つのボビンそれぞれに 
0.1mmφのポリウレタン銅線(UEW)を2500回ずつ巻いています。

4つのコイルを直列に繋いで
極性が同じになるように土台に取り付けました。

 コイルの両端はブレッボボードへ差し込んでいます。

LEDは逆向きの並列接続にしています。

これで完成で~す!

風が吹いて、サボニウス風車が回るとLEDが点灯します。
ビデオで撮影してみました。


<発電の様子について自由研究>

今回の装置では、コイルの近くで磁石が回転しています。
コイルに磁石が近づいたり離れたりすることで、電磁誘導が起きて
コイルには誘導電流が流れ、誘導起電力が発生します。

誘導電流はレンツの法則により、下図のように流れます。


上のビデオ程度の速度で風車を回転させたときに
発生する誘導起電力の波形は下のようになりました。

LEDを接続していない無負荷状態の波形
磁石が1回転する間に、コイルにはN極、S極が4回接近するので
磁石が1回転するのに要する時間は 0.4秒となります。
正方向が5.8V、負方向が4.8Vと違う理由はわかりません。

LEDを逆向きの並列接続にした時の波形
1.9Vが赤色LEDを順方向に繋いだ方で、
-2.6Vが青色LEDを順方向に繋いだ方です。

負荷がかかると無負荷状態に比べて、
周期が長く(周波数が低く)なっている様子がわかります。

 逆向きの並列接続にしておくと、
LEDにかかる逆電圧がおさえられます。


<全波整流回路にしてみました。>
この波形↓ は青色LED1個を接続したときのものです。

電圧が常に正となるので、
イルミネーションLEDを接続すると色が変化します。


<倍電圧回路にしてみました。>
直列で4個のLEDが点灯しました。
(実は上の全波整流回路でも 直列4個のLEDが点灯しましたが 光り方が弱いです。)






これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)

17 件のコメント:

  1. 楽しい実験有難うございます。正のピーク波形と負のピーク波形を比べると負のほうが少し潰れていますね。4V付近の時間軸の長さは同じようにも見えるのですが。何処かに非対称性が潜んでいるのでしょうか。いつも詳しいデータ入りで考えることが楽しいです。的外れな場合もありますが。

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    1. 渡辺聰明様
      いつもコメント下さってありがとうございます。確かに負のほうが少し潰れた格好になってますね。
      このせいで、正5.8V、負4.8Vとなってるのかも知れないですね。
      回ってるときに目で見た様子や異音など全く感じないのですが、
      私の思いつく限りでは、顕微鏡のスライドガラスにM2用ナットを貼ったときの接着剤がナットの内側まで流れ込み、魚串の先端が回転するときにわずかにネックになっているのかな~?と一瞬思ったのですが、
      よく考えると 全ての波形で同じようになっていますね。
      この装置は、1回転すると4つの波となるので、接着剤ネックではこうはならないですね。。。
      どこか電気的におかしなところがあるのかしら・・・?
      う~ん・・・ やっぱり、わからないです。

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  2. 的外れとは私のことです。文が下手な私です。

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    1. 私も的外れだらけです。(笑)
      上の返信を書きながらも、一瞬 的外れなことを考えてました。(^^;
      工作もいつも的外れなことばかりやって、うまくいかないことが多々ありますが、
      何もやらないよりよかった!と思って諦めることにしています。(笑)

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  3. オシロスコープはどのようなものをお使いですか。八角形の磁石配置に四個のコイルなのに、波形も周期もまるで各一対の四倍速と同じように見えますから、作り方がうまいのだと思います。唯々感心しています。正弦波形を入力した場合は正負対象ですか。私の経験ではオペアンプを用いた際に見たことがあります。トランジスタでは飽和近くで動作させたときなど。

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    1. オシロスコープは安物のサインスマート DDS-140です。(笑)
      http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-10159/
      パソコンに接続できるオシロスコープは、なかなかWin8に対応しているものがないのですが、
      これは対応しており、安かったので思わず購入してしまいました。まだWin10対応のものは見当たりません。
      波形はコイルを直列にしているからでしょうか・・・?
      並列だとこんな風に出そうにないですが・・・
      このオシロスコープに正弦波形を入力してみました。
      家庭用の100V 60Hzを小型変圧器で減圧した結果です。正負全く同じ値でした。
      http://www.eneene.com/photo/20161120.png

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    2. このblogのコメント欄、写真を貼り付けられず
      写真をアップしたUrlを書いたのですが、リンクされてませんね・・・(^^;
      大変申し訳ないのですが、
      このアドレスをブラウザーのアドレスにコペピして見て頂けると幸いです。
      宜しくお願いします。
      http://www.eneene.com/photo/20161120.png

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  4. 先ず感謝です。お陰様で随分勉強になりました。今日は雨で畑は休みにし、かなり集中できました。リンクする方法が分からず済みません。コピペして拝見しましたが普通の波形ですよね。サインスマート DDS-140いいですね。私のオシロスコープは岩崎通信機(株)製SS-5112、10MHzまでです。1976年購入、1992年に修理したもしました。見積もり時には新しく買ったほうが得ですよと言われましたが、このスコープで微分回路をマスター?しましたので修理に決定しました。今夕飯コールがありましたので続きは後ほど。

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    1. 現在両手(指)が痺れていて、コイルを巻くことができませんので有り合わせのもので試してみました。ローターは自転車用発電機を分解したものでNS四対の永久磁石。これをスタンドに取り付けたドリルに装着し、スライダックで速度可変。ステーターコイルはリレイから鉄心を外し6Mのボルトを鉄心として使いL金具で木板に固定しました。ステーターコイルが二個であることを除けば上橋さんのものと同じです。ステーターコイルを前後左右にずらしてみましたが、波形は上下(正負)対称でした。回転数を上げると波形は上下対称のまま、最大値が変わりましたのでローター磁極の強さの違いがあるのでは、と思っています。

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  5. 前記の実験ではいいサインカーブでした。ただ、手持ちの自転車用発電機は3台とも漢字の凸のような交流波形でした。立ち上がり、立下り部分は滑らかにつながっていましたが。

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    1. 渡辺聰明さん
      実際に同じような装置を作って試して下さったのですね。もうビックリするとともに、とても感激です。
      本当にありがとうございます。なんだか、すごく強力な相談者が出来たようで凄く嬉しいんです。
      是非、これからも何かあったら、教えて下さいね。お手間かけるかも知れませんが、どうか宜しくお願いします。
      ところで、渡辺聰明さんが行って下さった結果で、私の装置のどこかに潜在的な原因があることがわかりました。
      でもそれがどこにあるのか?まだ解明出来てないのですが・・・
      確かに私のものも回転数を上げると最大値は変わりますが、上下の最大値は上下対象にはなりません。
      新たに2号機を作ってみたいところですが、今 新たにつまらない工作をしているところでして・・・(^^;
      今度は電気理論のない、ちょこっとした工作です。

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    2. 16:51修理もしました。です。18:38一部訂正します。再度コイル側に近づけた状態で両コイルを結ぶ直線に垂直な方向へずらしたときオシロスコープ2台とも、負側ピーク値減少の波形が交互に現れました。実は2台目のオシロスコープを子供たちへのデモ実験用に購入してあったので今日、久々にスイッチを入れたところ上橋さんに似た現象を見つけました。多分、4つのコイルの電圧合成ですから磁束変化が時間に対して正弦的にならない位置があるのだろうと思います。4個並列にしたら少し違った結果が得られかもしれませんね。

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    3. ありがとうございます。私の装置、磁石が垂直方向にずれてるのかも知れないですね。勿論 水平方向もずれているし、4つのコイルも完全に4等分された状態でなかったり、磁石との距離も均一でなかったりですが、渡辺さんが試して下さった結果を見ると、垂直方向が大きな要因のようですね。
      4個並列の波形は取ってないのですが、それぞれピークの時間がずれて、ギザギザピークの波形になりそうな気がします。
      そうそう、当初 この装置、コイル2個直列を2組並列にして組み立てたのですが、回転が弱いとほとんど光らず、4個直列にしました。LEDは順方向電圧さえ超えれば電流が少なくても光ってくれるのでありがたいです。

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  6. 私の場合はコイルが2個でなので並列ですとLED点灯には電圧不足ですが波形は正弦波でした。今日、2つの巻き線の波形を旧型オシロの二現象で見たところ、ステーターコイルの位置をずらしたり一方のコイルだけをずらしても位相はずれますが2台目のオシロで見た合成波形は正弦波形でした。「当然のことではありますが。」でも、上橋さんの作り方は相当に正確なのでずれは見られないかもしれませんね。

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    1. 渡辺聰明様
      コイルを並列で試して下さったのですね。いつもありがとうございます。
      コイルをずらしたときは、個々の波形は ずれて、合成にすると正弦波とのこと・・・
      こちらのグラフのような感じかしら?
      http://www.eneene.com/graph/20161127.htm
      私の方、完全に勘違いしてました。お恥ずかしい限りです。(^^;

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  7. 電験三種のこと、上原さんは凄いですね。私はずっと昔、高圧電気工事士を取得して以来そのままです。それから、http://www.eneene.com/graph/20161127.htmを拝見しました。その通りです。振幅が異なっていても、大丈夫です。遠い約束になりそうですが4個のコイルも試してみます。

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    1. 電験三種は平成2年に取得したのですが、もう綺麗に忘れてしまって、
      いい加減なことばかり書いて本当にお恥ずかしいです。
      物覚えは悪いのですが、物忘れの速さは 抜群です。(笑)

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